كيف ترى تلسكوبات الفضاء ما لا تستطيع المراصد الأرضية رؤيته

يسافر الضوء من النجوم والمجرات عبر الكون في أشكال عديدة، وليس فقط الألوان المرئية التي تستطيع العين البشرية رؤيتها. يحمل ضوء الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية وضوء جاما معلومات عن النجوم الحارة الصغيرة وسحب الغبار البارد والنجوم المنفجرة والثقوب السوداء. لكن الغلاف الجوي للأرض يمتص أو يشوه معظم هذا الضوء قبل وصوله إلى الأرض، وفقًا لوكالة ناسا للعلوم والوكالة الأوروبية للفضاء (ESA).

لماذا الغلاف الجوي للأرض حاجز

تشرح الوكالة الأوروبية للفضاء أن الغلاف الجوي ينشئ مشكلتين منفصلتين لفلك الأشعة تحت الحمراء. أولاً، يمتص معظم أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء بشكل كامل، مما يسمح فقط بعدد قليل من النطاقات الضيقة بالوصول إلى التلسكوبات الأرضية. ثانيًا، الغلاف الجوي نفسه يتوهج في الأشعة تحت الحمراء، مما ينبعث غالبًا إشعاعًا أكثر من الجسم الكوني الباهت الذي يحاول الفلكيون دراسته، مما يدفن الإشارة في الضوضاء.

تشير الوكالة الأوروبية للفضاء أيضًا إلى أن الغلاف الجوي يحجب معظم الإشعاع عالي الطاقة والأشعة فوق البنفسجية، بما في ذلك الأشعة السينية وأشعة جاما ومعظم الأشعة فوق البنفسجية. تلاحظ ناسا أن تشاندرا، مرصدها للأشعة السينية، يدور على ارتفاع يصل إلى حوالي 139,000 كيلومتر (86,500 ميل) فوق الأرض - حوالي 200 مرة أعلى من هابل - وذلك لأن الأشعة السينية لا تصل أبدًا إلى السطح.

إن نقل التلسكوب فوق الغلاف الجوي، أو بعيدًا عن الأرض تمامًا، يحل كلتا المشكلتين في آن واحد: لا يوجد هواء متبقٍ لامتصاص الضوء، ولا توهج الغلاف الجوي لإغراقه.

تلسكوبات مختلفة، أضواء مختلفة

كل مرصد فضاء رئيسي مضبوط على جزء معين من الطيف. تم إطلاق هابل في عام 1990، ويراقب بشكل أساسي الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي (0.1 إلى 2.5 ميكرون) ويدور على ارتفاع حوالي 300 ميل (483 كم) فوق الأرض، لا يزال في متناول مهام الخدمة العرضية، وفقًا لوكالة ناسا للعلوم. تم إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي في ديسمبر 2021، وقد تم بناؤه للضوء تحت الأحمر ويجلس بعيدًا جدًا، بالقرب من نقطة لاجرانج الثانية (L2) على بعد حوالي مليون ميل من الأرض، حيث لا يمكن لحرارتها الخاصة وحرارة الأرض التدخل في الإشارات الضعيفة تحت الحمراء التي تحاول اكتشافها.

تمتد المرآة الأساسية لويب 6.5 متر (21.3 قدم)، مقارنة بـ 2.4 متر (7.9 قدم) من هابل، مما يعطيها أكثر من ستة أضعاف مساحة جمع الضوء. تؤكد ناسا للعلوم أن ويب يمكنها الكشف عن أجسام أضعف بمائة مرة مما يمكن لهابل رؤيته. لأن توسع الكون يشد الضوء من أبعد وأقدم المجرات إلى أطوال موجات تحت الحمراء - وهو تأثير الانزياح الأحمر - فإن حساسية ويب للأشعة تحت الحمراء تتيح لها النظر بعيدًا جدًا في الزمن الكوني أكثر مما تستطيع أدوات هابل فوق البنفسجية والمرئية.

يحمل ويب أدوات مخصصة لنطاقات الأشعة تحت الحمراء المختلفة. كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRCam) تغطي 0.6 إلى 5 ميكرون وتعمل كمصور الأشعة تحت الحمراء القريبة الأساسي لويب، وفقًا لصفحة أداة ناسا للعلوم. أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI) تغطي 5 إلى 28 ميكرون وتجمع بين كاميرا، مقياس الطيف الذي يقسم الضوء إلى طيف لقياس السطوع عند كل طول موجة، وأداة حجب الضوء الكهربائية التي تحجب توهج النجم حتى يمكن رؤية الكواكب الأضعف القريبة. يحتاج MIRI إلى مبرد تبريد إضافي ليبقى أبرد من بقية المرصد حتى لا تكون أجهزة الكشف الخاصة به معماة من الحرارة المتبقية لويب.

لا ينتج كل مرصد فضاء صورًا. تعمل مركبة جايا الفضائية للوكالة الأوروبية للفضاء، التي تم إطلاقها في 19 ديسمبر 2013 ومتمركزة بالقرب من L2، على بناء خريطة ثلاثية الأبعاد دقيقة بشكل استثنائي لأكثر من ملياري نجم عبر درب التبانة، وتتبع حركاتها وسطوعها ودرجة حرارتها وتركيبها، وفقًا لصفحة مهمة جايا للوكالة الأوروبية للفضاء. تقول الوكالة الأوروبية للفضاء إن جايا حسّنت دقة الموضع بمعامل مائة مقارنة بسلفتها، قمر هيبارخوس الصناعي؛ دخلت المهمة مرحلة ما بعد العمليات بعد مواجهة مشاكل الاستشعار والجزيئات الدقيقة في عام 2024.

في الطرف عالي الطاقة من الطيف، يكتشف مرصد تشاندرا للأشعة السينية التابع لناسا، الذي تم إطلاقه في 23 يوليو 1999، الأشعة السينية من الظواهر شديدة الحرارة: النجوم المنفجرة وتجمعات المجرات والمادة التي تدور حول الثقوب السوداء، وفقًا لصفحة مهمة الفلك الحيوي لناسا.

جمع القطع معًا

وصف عالم مشروع هرشل بالوكالة الأوروبية للفضاء جوران بيلبرات قيمة الملاحظة بالأشعة تحت الحمراء خاصة لدراسة كيفية تشكل النجوم والكواكب: 'من خلال المراقبة بالأشعة تحت الحمراء، يمكننا دراسة كيفية تشكل الأشياء، والخطوات الأولى جدًا، لأن عمليات التشكيل تحدث غالبًا في أماكن باردة ومغبرة'، كما قال، وفقًا للوكالة الأوروبية للفضاء. يمر ضوء الأشعة تحت الحمراء عبر سحب الغبار التي تحجب الضوء المرئي، مما يتيح لأدوات مثل NIRCam و MIRI من ويب رؤية النجوم المولودة حديثًا والكواكب المخفية داخل السدم.

لأن أي تلسكوب واحد لا يغطي الطيف بالكامل، يجمع الفلكيون بشكل روتيني البيانات من عدة مراصد. تصف ناسا للعلوم هابل وويب كشركاء متكاملين وليس كمنافسين: تخترق رؤية ويب الأعمق بالأشعة تحت الحمراء الغبار والغاز، بينما تكمل رؤية هابل المرئية والأشعة فوق البنفسجية مناظر ويب بالأشعة تحت الحمراء، وتنتج معًا مناظر أوسع لنفس الأجسام.